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颗粒计数仪在南方某水厂BAC工艺中的应用
来源: 发布时间:[2017-04-10]

尢志磊,蒋福春,华伟

You Zhilei, Jiang Fuchun, Hua Wei

(苏州市自来水公司,江苏  苏州  215002)

(Suzhou Water Company, Suzhou 215002,China)

摘要:结合水厂BAC池在冬季低温天气下的实际运行情况,研究分析了出水颗粒物浓度在各项工艺因素影响下的变化情况,探讨了微生物穿透滤池的风险与颗粒物浓度之间的相关性。结果表明:BAC池运行周期越长,运行周期中的出水细菌波动范围就越大,出厂水中细菌被检出的风险也越高;在生物活性炭池出水浊度≤0.10NTU的情况下,滤后水中2μm以上粒径的颗粒物浓度依然偏高,尤其以尺寸在2-5μm范围内的隐孢子虫的潜在威胁为重。

Abstract: Based on running condition of BAC in winter, particle concentration variation was explored with the influence of all processes. The correlation between traversing risk of microbe and particle concentration was discussed. The results show that longer operation time of BAC, and huger wave range and detected probability of microbe in outlet of BAC. Outlet of BAC  contains the most particle which partical size is greater than 2μm, when its turbidometry exceeds 0.10NTU. The particle with the size between 2μm and 5μm may contain most Cryptosporidium in the water.

关键词:颗粒物;生物活性炭池;滤后水;粒径;冲洗;细菌

Keyword: Particle, BAC, the filtered water, partical size, backwashing, microbe

近年来,随着人民群众生活水平的不断提高,人们对饮用水的水质和口感都提出了更高的要求,国内越来越多的水司开始将降低有机污染物含量和控制微生物风险作为水质保障的重点。太湖属于大型浅水湖泊,湖面开阔,在冬季低温天气下极易受到水面阵风的影响,风浪的扰动会使表层底泥再悬浮,从而大大增加原水中的颗粒物浓度。由于大多数致病微生物均附生在悬浮颗粒物表面或近表面,因此净水工艺对悬浮颗粒物的去除效果直接关系着出厂水的生物安全性。

本文主要针对冬季低温天气下,水厂生物活性炭池运行过程中的颗粒物浓度变化和粒径分布情况,研究炭池运行周期和冲洗模式等因素对出水颗粒物浓度的实际影响,进而分析出水细菌和“两虫”指标与颗粒物浓度变化之间的相关性。

一、材料与方法

1.1工艺运行情况

水厂以太湖金墅为水源地,原水经预臭氧氧化后,通过常规处理工艺的折板絮凝池、平流沉淀池和V型砂滤池,最后进入深度处理工艺的后臭氧接触池氧化和生物活性炭池过滤。其臭氧活性炭工艺自2008年3月投运至今,有效解决了饮用水中的有机污染问题,出厂水水质完全符合国家对《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的各项要求。

水厂生物活性炭池采用宁夏广华奇思公司生产的柱状破碎颗粒炭,颗粒尺寸为12×40目,总装填数量为2420立方米,工艺规模为30万m3/d,使用已满三年。活性炭池的滤床高度为2.00m,设计滤速为10.4m/h,空床停留时间为12min。

1.2颗粒分析仪运行原理

试验中采用上海艾晟特环保科技有限公司提供的IBR VersaCountTM粒子计数器,配有HRLD-400型传感器,可测量直径在2μm到200μm的颗粒。

样本液以60毫升/分钟(误差+/-5%)的流速进入计数器,通过镭射二极管光束的中心区域。液体中的颗粒在穿过镭射光束时阻挡光线到达光电探测器。光电探测器测出光束强度的减弱,并将光信号转化为电信号,进而生成脉冲,微处理器负责计算八个粒径通道中的脉冲信号。操作者可通过60毫升/分钟流速的总计数或标准化的颗粒数/毫升的计数查看实时状态下的检测数据。

1.3试验方法

结合水厂工艺运行的实际特点,试验主要分两个阶段进行。第一阶段通过摸索生物活性炭池出水颗粒物粒径分布情况,分析BAC池的运行周期对其出水颗粒物浓度的影响,进而以颗粒数评估“两虫”等致病微生物穿透BAC池的潜在风险;第二阶段则将8#炭池的运行周期调整为7天,冲洗模式暂不改变,并与6#炭池(运行周期为10天)进行横向对比,在各自的运行周期中定期开展细菌检测,研究其与出水颗粒物浓度变化间的相关性。然后调整8#炭池的冲洗参数,考察不同冲洗模式下,生物活性炭池出水颗粒物浓度随运行时间的变化情况。

二、一阶段试验情况

2.1颗粒物分布和去除情况

各主要工艺节点出水以粒径小于10μm的小分子颗粒物居多,砂滤工艺对颗粒物的去除起主要作用,其平均去除率约为75.39%。期间砂滤池运行周期由36小时逐渐调整至56小时,与周期延长前相比,砂滤池对颗粒物的去除效率下降至69.84%,但通过延长滤池的气水反冲时间(气水混冲和单水冲分别延长一分钟),可使去除率恢复至正常范围内。

表  1    生物活性炭池出水颗粒物粒径分布情况

 

2-3um

3-5um

5-7um

7-10um

10-15um

15-20um

20-25um

>25um

39.50%

36.04%

10.01%

9.13%

3.50%

1.23%

0.36%

0.23%

    从表1可以看出,炭池出水颗粒物主要以小分子物质居多,其中粒径小于10μm的颗粒物平均占比约94.68%。随着粒径的不断增大,颗粒物数量所占比重逐渐下降。试验周期内,至生物活性炭池出水,净水工艺对颗粒物的平均去除效率约为93.26%,且整体表现稳定。小分子颗粒物对炭床有一定的穿透作用。一般而言,球菌直径在0.5-1.0μm,杆菌直径在0.4-1.0μm,长度为宽度的一至数倍[1],因而考察粒径大小在15μm以内的颗粒物浓度,对于严格控制BAC池出水细菌和“两虫”风险具有重要的参考意义。

2.2颗粒物浓度随运行周期的变化

各种粒径的颗粒物经活性炭工艺后,浓度下降均不明显,一方面是由于BAC池对颗粒物的去除效果较为有限,另一方面也与水流经过炭床时,冲刷作用促使炭层表面的生物脱落有关。为跟踪不同运行周期下,BAC池出水颗粒物的变化情况,在冲洗模式不变的情况下,试验期间将8#炭池的运行周期调整为7天,其余炭池仍维持在10天,据此定期检测8#池和6#池出水颗粒物浓度。

根据图1所示情况,可以发现:冬季低温天气下,BAC池在冲洗后的两天内,其出水的颗粒物浓度变化不够稳定,总体偏高,运行至第三日逐渐回落至较低水平,之后随运行周期的延长呈逐级升高趋势。从运行周期较长的6#池来看,其从第七日左右开始,颗粒物浓度增加值较为明显,并在冲洗前始终保持在高位。因此生物活性炭池的运行周期越长,后期出水颗粒物浓度升高的概率就越高,冲洗前的出水颗粒物浓度也将大大高于运行周期稍短的炭池。

图  1    不同运行周期下炭池出水颗粒物浓度比较

    反冲洗完成后的前三个小时内,颗粒物浓度反弹最为明显,约四小时后,渐趋稳定。此时的数据表明,冲洗有利于促进BAC池出水颗粒物浓度恢复至正常范围,并在一定程度上降低微生物泄漏的风险。因此在不同的季节,不同的原水水质条件下,选择合理的冲洗周期和冲洗模式对于控制微生物风险是很有必要的,既要考虑正常的工艺技术需求,也要兼顾冲洗完成后的颗粒物浓度变化情况。

2.3颗粒物浓度与滤后水的两虫风险

传统的贾第鞭毛虫和隐孢子虫(简称“两虫”)检测方法存在诸多不足,目前水厂又缺乏两虫在线监测的自动化手段,为此选用浊度和颗粒数作为“两虫”的替代指标,以对浊度和颗粒物的去除效果来衡量生物活性炭(BAC)池对“两虫”的控制效果[2]

一般情况下,降低出水浑浊度至0.5NTU 可大大降低原虫的传播危险,浊度低于0.3NTU,原虫去除率达99%,浊度低于0.1NTU,去除率可达99.9%。试验期间,BAC池的进水浊度约为0.09-0.10NTU,出水浊度约为0.05-0.07NTU,BAC工艺对浊度和颗粒物的平均去除效率分别约为36.84%和41.27%。

    就我国供水行业而言,在基础数据、工程运行经验相对缺乏的情况下,切忌将浊度≤0.1NTU作为微生物学安全的屏障之一与微生物学安全机械等同[3]。故对于浊度控制在0.1NTU以内的生物活性炭池出水而言,以不同粒径范围内的颗粒物浓度作为衡量“两虫”风险的参考指标将更有意义。

  图2  主要工艺单体出水颗粒物浓度变化  图3  不同粒径颗粒物在滤后水中的浓度对比

各组BAC池冲洗前检出的颗粒物浓度平均达228个/ml,如图2、图3所示,待反冲洗结束出水颗粒物浓度变化稳定后,其平均值约为184个/ml。根据美国对水中“两虫”与颗粒物数量相关性的研究数据,当水中粒径大于2μm的颗粒物浓度高于100个/ml时,水中存在两虫的几率很大[4]。通过进一步的分析可以确定,BAC池出水中,符合隐孢子虫尺寸2-5μm范围内的颗粒物浓度约为121个/ml,符合贾第虫尺寸5-15μm[5-7]范围内的颗粒物浓度则为58个/ml。就理论而言,“两虫”对BAC池的穿透可能性是客观存在的,尤其以隐孢子虫的潜在威胁为大。

三、二阶段试验情况

3.1运行周期对出水细菌的影响

考虑到8#炭池运行周期调整初期,出水效果不一定立即反映出周期调整后的效果,且可能存在一定的波动,因此选择待其运行稳定后,于第三个周期开始连续跟踪两池出水中的细菌检测情况。试验发现,炭池经过反冲洗后,出水细菌检测值均较之前有大幅提高,这是因为炭颗粒表面的生物膜在反冲洗时受到破坏,反冲洗后受损的生物膜不断脱落的同时,新的生物膜不断形成,导致细菌波幅较大[8]。其波动周期受炭池进水水质、冲洗周期和冲洗强度等因素的共同影响,一般在新的生物膜有效形成之后,炭池出水的细菌检测数将逐渐趋于稳定。

图4中,尽管运行周期不同,但有效的反冲洗能使两组炭池的出水细菌检测数恢复至相近范围内。经过三至四天的运行,受损生物膜的脱落接近低点,同时新的生物膜基本形成,出水细菌检测值开始逐渐回落。在此期间,运行周期较长的6#炭池出水细菌数波动幅度明显高于8#炭池,在相同的加氯量下,其造成出厂水中细菌被检出的风险也将高于运行周期稍短的8#炭池。运行至第七日前后,出水细菌检出数波动开始增大,与第一阶段试验中,不同周期下的出水颗粒物变化趋势表现出了一定的相关性。因此,炭滤池实际运行周期的确定,对于严格控制出水微生物风险、保证出水的生物安全性具有重要意义。

3.2冲洗模式对颗粒物浓度的影响

将6#炭池和采用相同运行周期的4#炭滤作为比较标的,在气冲强度和时间不变的基础上,通过改变水冲强度和水冲时间,研究其在冲洗完成并静置30min后,初滤水中颗粒物浓度的变化规律,据此判断不同冲洗模式对出水颗粒物浓度的影响,冲洗参数可参见表2。

表  2    不同冲洗模式下的炭池初滤水颗粒物浓度

 

炭池编号

气冲强度

气冲时间

水冲强度

水冲时间

初滤水颗粒物浓度

4#

 28.5m3/m2/h

5min

22.5m3/m2/h

8min

686个/ml

6#

 28.5m3/m2/h

5min

22.5m3/m2/h

10min

527个/ml

4#

 28.5m3/m2/h

5min

25.4m3/m2/h

8min

498个/ml

6#

 28.5m3/m2/h

5min

25.4m3/m2/h

10min

385个/ml

 

由图5和图6可见,在相同的气冲强度和气冲时间下,适当提高水冲强度或延长水冲时间,均可使炭池经反冲洗后,在恢复运行的初期出水颗粒物浓度有所降低。水冲强度越高,水流冲刷炭床时的剪切力也越大,更易将深嵌在活性炭孔隙间的杂质和失活生物膜有效排出,有利于下一运行周期中生物膜的快速恢复。但过高的水冲强度也会对生物膜造成不利影响,可能会破坏附着其上的活性生物膜并延长炭池恢复正常生物降解效率的时间。

有研究表明,生物活性炭池对悬浮颗粒的去除除了范德华力和化学键力外,还有生物絮凝作用[9]。因此在冲洗完成后,颗粒物浓度的变化情况也可作为判断活性炭表层生物膜恢复情况的依据之一,在恢复运行的最初四个小时内,颗粒物浓度波动较大,其对氨氮、耗氧量和TOC等指标的去除效率也很不稳定。随着运行时间的逐渐延长,出水颗粒物浓度逐渐趋于稳定,新的生物膜重新在炭层表面有效形成,炭池的生物降解作用也逐渐恢复正常。

四、结论与建议

  1. 各主要工艺节点出水颗粒物以2-10μm粒径范围内的居多,砂滤工艺对颗粒物的去除发挥主要作用,因而针对不同季节的原水水质,选择合理的冲洗周期和冲洗参数,可有效保证常规处理工艺对水中悬浮颗粒的去除效果,减少小分子颗粒物对炭床的穿透作用;
  2. 结合太湖原水水质特点,冬季的炭池运行周期建议为5-7天,进一步延长运行周期,出水中的颗粒物浓度波动也将随之增大,进而增加微生物泄漏的风险;
  3. 在生物活性炭池出水浊度≤0.10NTU的情况下,出水所含2μm以上粒径的颗粒物浓度检测值依然偏高,因此不能完全排除“两虫”穿透炭池的可能,尤其以尺寸在2-5μm范围内的隐孢子虫的潜在威胁为重;
  4. 炭池经反冲洗后,其出水细菌数因受到炭层表面生物膜脱落和恢复速度的影响,而出现阶段性的变化,并与颗粒物浓度的变化趋势表现出了一定的相关性,运行周期越长,周期内的出水细菌波动范围就越大,在同等加氯量条件下,出厂水中细菌被检出的风险也更高;
  5. 在气冲强度和时间不变的前提下,增大水冲强度或延长水冲时间均可减少炭池初滤水中的颗粒物浓度,随着炭层表面生物膜的逐渐恢复,出水颗粒物浓度也渐趋稳定,可将其作为炭池反冲洗后,判断生物膜恢复情况的依据之一。

五、参考文献

[1]王家玲,李顺鹏,黄正.环境微生物学(第二版).北京:高等教育出版社,2004.15.

[2]吴素花,董秉直乔铁军张金松.BAC滤池对浊度和颗粒数的控制研究.中国给水排水,2007,23(23):42-45.

[3]查人光,徐兵.低浊度控制与饮用水安全浅议.给水排水,2005,01:11-14.

[4]LeChevalslier M W,Norton W D.Examining relationships between particle counts and giardia,cryptosporidium,and turbidity[J].JAWWA,1992,84(12):54~60.

[5]祝玲,刘文君,林浩添.饮用水处理中生物活性炭工艺颗粒物研究.全国给水深度处理研究会,2009:158-164.     

[6] Geo Clifford White.Handbook of chlorination and alterbative disinfectants. 1999:346 - 358.
[7]Edzwald J K,Tobiason J E,Parento L M.Giardia and cryptosporidium removals by clarification and filtration under challenge conditions.J. AWWA, 2000, 92 (12):70 - 84

[8]陈朝湘,吴婉华,胡智慧.炭滤池运行的日常管理和维护探讨.中国建设信息(水工业市场),2008,(8):64-67.

[9]王占生,刘文君.微污染水源饮用水处理[M].北京:中国建筑工业出版社出版,1999.

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